海水腐蝕與外加電流陰極保護

摘要：金屬—電解質溶解腐蝕體系受到陰極極化時，電位負移，金屬陽極氧化反應過電位ηa 減小，反應速度減小，因而金屬腐蝕速度減小，稱為陰極保護效應。利用陰極保護效應減輕金屬設備腐蝕的防護方法叫做陰極保護。陰極保護法在海洋腐蝕中應用比較廣泛。

一、造成海水腐蝕的原因

    海洋環(huán)境是一種復雜的腐蝕環(huán)境，海水是一種含有多種鹽類的電解質溶液，以3～3.5％的氯化鈉為主鹽，pH值為8左右，并溶有一量的氧氣。海水對金屬的腐蝕是多種綜合因素作用的效果，包括化學因素、物理因素、生物因素?；瘜W腐蝕在海水腐蝕中占主導地位。發(fā)生腐蝕的原因很多，比如：由于海水導電性好，腐蝕電池的歐姆電阻很小，因此異金屬接觸能造成陽極性金屬發(fā)生顯著的電偶腐蝕破壞；海水中含大量氯離子，易造成金屬鈍態(tài)局部破壞；碳鋼在海水中發(fā)生吸氧腐蝕……

    海洋腐蝕是金屬構件在海洋環(huán)境中發(fā)生的腐蝕。海洋環(huán)境的腐蝕包括海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)。對于處于海水環(huán)境中的金屬結構來說，海洋大氣區(qū)受海洋性大氣腐蝕影響。飛濺區(qū)指平均高潮線以上海洋飛濺所能濕潤的位置。在這個部位，金屬材料表面連續(xù)不斷地被海水濕潤，海水又與空氣充分接觸，含氧量充分，含鹽量很高，加上海水的沖擊作用，腐蝕在這個部位最為嚴重。當很高的風速和海流速造成強烈的海水運動時，海水的沖擊會在飛濺區(qū)成磨耗－腐蝕聯(lián)合作用的破壞。同時強烈的海水沖擊不斷地破壞腐蝕產(chǎn)物和保護涂層，增加了飛濺區(qū)的腐蝕。不同海區(qū)飛濺區(qū)的腐蝕主要于風浪和溫度。飛濺區(qū)金屬表面溫度更接近于氣溫。風浪大的熱帶海域鋼鐵在飛濺區(qū)的腐蝕最為嚴重。潮差區(qū)指平均高潮位與平均低潮位之間的區(qū)段，金屬表面與含氧充分的海水周期性地接觸，引起腐蝕。與飛濺區(qū)相比，潮汐區(qū)的氧擴散沒有飛濺區(qū)那樣快，也無強烈的海水沖擊。潮汐區(qū)金屬表面溫度受氣溫影響也受海水溫度的影響，通常接近于表層海水溫度。潮差區(qū)的腐蝕通常是平均高潮位和平均低潮位最為嚴重，這是氧濃差電池的作用。潮差段因供氧充分，成為陰極，受到一定程度的保護，腐蝕減輕。低潮位以下全浸區(qū)因供氧相對較少成為陽極，使腐蝕加速。在工程設計上，有時把潮差區(qū)并入飛濺區(qū)一起考慮，并不是因為兩段間的腐蝕是一樣的，而是從施工、維護和陰極保護方面加綜合考慮，使之協(xié)調一致。全浸區(qū)指平均低潮線以下的位置為海水全浸區(qū)。根據(jù)海洋的深度不同，又分為淺海區(qū)和深海區(qū)，二者并無確切的深度界限，一般所說的淺海區(qū)大多指100～200m以內的海水。海洋環(huán)境因素如溫度、含氧量、鹽度、pH值等隨海洋的深度而變化，所以海水深度必然影響到全浸區(qū)金屬的腐蝕行為。其中是最為主要的因素是溫度和含氧量。全浸區(qū)中鋼鐵的腐蝕速度在0.07~0.18mm/a。淺海區(qū)海水氧處于飽和態(tài)，溫度高，海水流速大腐蝕比深海區(qū)大，海洋生物會粘附在金屬材料上。一般來說，20m水深以內的海水較深層海水具有更強的腐蝕性。海泥區(qū)主要由海底沉積物構成，含鹽度高，電阻率低，因此是良好的電解質，對金屬的腐蝕要比陸地上土壤要高。由于氧濃度十分低，所以海泥區(qū)的腐蝕比全浸區(qū)要低。如同潮差區(qū)和全浸區(qū)一樣，在全浸區(qū)和海泥區(qū)之間也會因為氧的濃度不一樣而造成                 濃差電池。泥線以下因為相對缺氧而成為陽極，加重腐蝕。

    海洋腐蝕主要是局部腐蝕，即從構件表面開始，在很小區(qū)域內發(fā)生的腐蝕，如電偶腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕等。鋼鐵的腐蝕是一個電化學過程，表面失去電子發(fā)生陽極氧化反應，陰極保護法就是利用了它的電化學腐蝕原理，通過人為施加負向電流，從而使金屬的表面的反應有原來的失去電子的氧化反應，成為得電子還原反應，從而使金屬的腐蝕得到抑制。

二、陰極保護法的原理

    外加電流陰極防護系統(tǒng)就是通過外加電流，把電源正極連接在難溶性輔助陽極上強制形成陽極區(qū)；把電源的負極連接在受保護的鋼筋上，強制形成陰極區(qū)。陽極與被保護的鋼筋均處于連續(xù)的電解質中，使被保護的鋼筋接觸電解質的全部表面都充分而且均勻地接受自由電子，從而受到陰極保護。外加電流陰極保護技術不是被動防護，而是主動預防。并且保護年限根據(jù)要求進行設計，可延長鋼鐵的使用年限。因此從實際保護效果來看，外加電流陰極保護技術在防護期限和主動控制等方面具有顯著的優(yōu)勢。

    外加電流陰極防護是以犧牲陽極為前提保護陰極，對陽極有以下要求：陽極電位要足夠負；陽極溶解性能好；理論發(fā)電量大；同時對實際發(fā)生電量和電流效率有要求。因此選擇合適的陽極可以有效的保護鋼鐵不被腐蝕，減少腐蝕造成的損失，尤其在海洋環(huán)境中有很好的作用效果。

三、陰極保護法的實例——艦船外殼的保護

    艦船在海上航行時, 艦船殼體、推進器、內艙、冷凝器和海水管路系統(tǒng)等部位都會發(fā)生腐蝕。艦船腐蝕的原因比較復雜, 是多種不同腐蝕形態(tài)共存的。其中最主要的原因是由于海水的含鹽度高( 一般在33% ~ 37%), 艦船的金屬材料與海水接觸時, 會形成無數(shù)個微小原電池而引起艦船的金屬腐蝕。腐蝕的后果是嚴重的, 受到海水及海面鹽霧的侵蝕后, 艦艇的甲板及艦體, 每年需涂幾次涂料進行防護。南海地區(qū)艦艇每次小修更換的腐蝕鋼板達1 /3 , 中修換板率超過1 /2, 甚至新艦艇尚未服役即出現(xiàn)腐蝕等問題, 既增加了維修工作量, 降低了航率, 又造成了巨大的經(jīng)濟損失, 嚴重地影響了部隊的戰(zhàn)斗力。因此, 采用外加電流陰極保護有效地防止海洋環(huán)境下的艦船腐蝕破壞, 是當今世界各國的普遍做法。

    艦船的陰極保護歷史悠久, 應用廣泛。從20 世紀60年代開始, 陰極保護技術已經(jīng)成為世界各國艦船必不可少的防腐蝕技術, 各國的科研人員正在對陰極保護系統(tǒng)的設備和材料及陰極保護理論和設計技術進行深入研究, 以期達到延長保護年限、提高陰極保護系統(tǒng)

的可靠性和自動化程度、降低保護費用的目的。陰極保護根據(jù)陰極給電流的方式不同可分為犧牲陽極法和外加電流法。對于艦船, 往往采用外加電流陰極保護系統(tǒng), 這是因為: ( 1)智能化的恒電位儀能隨

著外界環(huán)境的變化, 如不同海區(qū)的溫度、鹽度、風浪及動靜態(tài)等的變化, 給出參比電極的信號, 自動調整保護電流, 使艦船始終處于良好的保護狀態(tài), 有利于縮短塢修日期, 延長進塢的間隔; ( 2)外加電流陰極保護系統(tǒng)安裝陽極數(shù)量少, 對水流的阻力可忽略; 節(jié)約燃料和涂料; ( 3)對于潛艇來說, 在外殼裝犧牲陽極以后, 航行時會產(chǎn)生可測得的聲響, 影響其隱蔽性; ( 4)外加電流系統(tǒng)使用壽命長, 甚至可與艦船同壽命, 而犧牲陽極的使用壽命一般只有l~ 2 a, 消耗完后必須更換。外加電流的陰極保護系統(tǒng)在艦船上應用越來越廣泛。

參考文獻:

1．中交上海三航科學研究院有限公司，上海200032;

2．上海申航基礎工程有限公司，上海200122) 外加電流陰極保護技術對海港工程鋼筋混凝土結構的防護；

3. 李 天（廣州中港圣維可防腐工程有限公司，廣東 廣州 510530）外加電流陰極保護在港口鋼結構工程的應用。